计算机组成与结构：第六章 外部存储器

WilliamStallings

计算机组成与体系结构第8版第6章外部存储器

外部存储类型磁盘磁盘阵列（RAID）移动磁盘光盘CD-ROMCD-Recordable(CD-R)CD-R/WDVD磁带磁盘磁盘衬底上涂有一层磁性材料(一种铁氧化物)衬底以前是铝制的现在采用玻璃改善磁层表面的均匀性增强磁盘的可靠性显著地减少整个表面的缺陷有助于读——写错误的减少支持更低的磁头飞行高度(后面会继续讨论)更好的刚度，从而降低了磁盘动力需求更好的耐冲击和耐磨损能力磁盘的读写机制通过由导电线圈构成的磁头进行信息的记录与读取可采用读/写磁头或单独的读磁头和写磁头读/写期间，磁头是静止的，盘片进行旋转写电流通过导电线圈产生磁场脉冲电流送入写磁头形成的磁化模式被记录在下面的磁盘表面上读(传统)磁盘相对线圈运动时在线圈中产生电流同一磁头既可用于读也可用于写读(当代)使用一个单独的读磁头，通常紧靠写磁头安装由一个部分被屏蔽的磁阻（magnetoresistive，MR）传感器组成MR材料的电阻大小取决于在它下面运动的介质的磁化方向MR设计允许更高频率的操作等同于更高的存储密度和更快的操作速度感应写磁阻（MR）读数据组织与格式化同心环或轨道轨道间的空隙减小空隙可提高密度每个轨道的信息位数相同(密度不一样)恒定角速度（Constantangularvelocity）轨道划分为扇区扇区是最小的块单位一个数据块往往占用一个或多个扇区磁盘数据视图磁盘线速度靠近旋转盘中心的位经过一固定点（如读-写磁头）的传输要比盘外沿的位慢增大记录在盘片区域上的信息位之间的间隔磁盘以恒定角速度（constantangularvelocity，CAV）转动盘面被划分成一序列同心圆磁道和多个饼形扇区能以磁道号和扇区号来直接寻址各个数据块将磁头径向移动到指定磁道，然后等待指定扇区转到磁头下外围的长磁道上存储的数据量与内圈的短磁道上所存储得数据量只有一样多。数据密度降低用多重区域记录技术（multiplezonerecording）提高存储容量在一个区域中，各磁道的位数是恒定的需要稍微复杂一些的电路磁盘布局方法图寻找扇区磁道必须有一些起始点和辨识每个扇区的起点及终点的方法磁盘格式化会附有一些仅被磁盘驱动器使用而不被用户存取的额外数据标识磁道与扇区温彻斯特磁盘磁道格式

SeagateST506特性固定(很少见)

或可移动磁头可替换或固定磁盘单面或双面(常用)

磁盘单磁盘或多磁盘磁头机制接触（软盘）固定间隙空气动压气隙（温氏磁盘）固定/可移动磁头磁盘固定磁头每个磁道有一个读写磁头磁头安装在固定的脊臂上可移动磁头磁盘的每一面有一个读写磁头磁头安装可伸缩的臂杆上可拆卸/固定磁盘可拆卸磁盘可以从驱动器中拆卸并用其它的磁盘替代可提供无限扩展的存储容量更容易在系统间传送数据固定磁盘永久固定在驱动器内多盘片每一面有一个磁头所有磁头对齐安装所有对齐的轨道一起称为柱面（cylinders）数据条带化（striping）分布存储在柱面上减少磁头的移动提高速度（传输率）多盘片磁道与柱面软盘尺寸:8”,5.25”,3.5”容量小最多1.44Mbyte(2.88M很少用)慢使用普遍便宜废弃?温彻斯特磁盘(1)由IBM在温彻斯特（USA）发明封闭模块一个或多个盘片当磁盘转动时，产生的气压形成气垫，使磁头轻悬在磁盘表面。使用更窄的磁头可靠性更高温彻斯特磁盘(2)通用便宜最快的外部存储器容量一直在不断变大250G是很常见的了速度寻道时间（Seektime）将磁头移动到目的磁道上旋转延时（Latency）磁盘在磁头下旋转，直到数据读写完成访问时间=寻道时间+旋转延时传输率（Transfer

rate）磁盘I/O传输时序图磁盘冗余阵列（RAID）独立磁盘冗余阵列（RedundantArrayofIndependent

Disks）廉价磁盘冗余阵列（RedundantArrayofInexpensive

Disks）常用有6种模式非简单的层次关系操作系统将磁盘阵列看作一个单一的逻辑驱动器数据以被称之为条带化（striping）的方式分布在一组物理磁盘上冗余磁盘容量用于存储奇偶校验信息，保证磁盘万一损坏时能恢复数据。RAID0没有冗余数据以条带化的方式分布在所有物理磁盘上。轮循分段提高速度多个数据请求不一定在同一个磁盘上并行磁盘访问一组数据可能以条带化的方式分布在多个物理磁盘上RAID1磁盘镜像数据以条带化的方式分布在多个物理磁盘上逻辑条带有两份拷贝存储到两个不同的物理磁盘组中。可从任一拷贝中读写入时，同时写入2份拷贝中恢复很容易替换出错磁盘并重新镜像无需停机昂贵RAID2采用并行存取技术条带很小常常是一个字节/字通过各个数据盘上的相应位计算纠错码通常采用汉明码，它能纠正一位错误，检测两位错误需要大量的冗余磁盘昂贵很少实际使用RAID3与RAID2类似不管磁盘阵列大小，只需要一个冗余盘对所有数据盘上同一位置的一组独立位进行简单计算的奇偶校验位当某一驱动器损坏时，访问奇偶校验盘，并由其余设备重构数据。非常高的数据传输率RAID4每个磁盘成员的操作是独立的更适合于需要高速I/O请求的应用大数据条带按每个数据盘上的相应条带来逐位计算奇偶校验条带奇偶校验位存储在奇偶校验盘的对应条带上RAID5类似RAID4所有磁盘上都分布了奇偶校验条带常用轮转分配方案避免了RAID4中潜在的奇偶磁盘的I/O瓶颈问题常用于网络服务器N.B.DOESNOTMEAN5DISKS!!!!!RAID6两种不同的奇偶校验计算将校验码以分开的块存于不同的磁盘中用户数据需要N个磁盘的RAID6阵列，由N+2个磁盘组成提供了极高的数据可用性3个磁盘都出了故障，才会引起数据丢失每次写都要影响两个奇偶块，存在实质性的写损失RAID0,1,2RAID3&4RAID5&6RAID

0的数据映射光存储CD-ROM源于数字音频CD650M字节可存储70分钟的音频数据盘片为聚碳酸酯材料，表面上镀上一层高反射材料，通常为铝数据以微凹坑的样式刻录在盘片表面上用激光束读取信息固定的存储密度恒定线速度（Constantlinearvelocity）CD工作原理CD-ROM驱动器速度音频CD是单速的恒定线速度1.2ms-1螺旋轨道长约

5.27km时长4391秒=73.2分钟其它的速度称为倍速e.g.24速（24x）标称参数为驱动器能达到的最大速度CD-ROM格式模式0

(Mode

0)=表示一个空的数据域模式1

(Mode

1)=使用纠错码和2048字节的数据

模式2

(Mode

2)=不带纠错码的2336个字节的用户数据CD-ROM的随机访问困难将激光头移到一个大致位置设置适当的速度读地址微调到准确的位置(Yawn!)CD-ROM的优缺点大容量(?)容易大量复制可移动不易出错对于小应用来说，有点贵慢只读其它光存储可刻录CD(CD-R)WORM价格合适和CD-ROM驱动器兼容CD-RW可擦写越来越便宜与大部分CD-ROM

驱动器兼容相变在两种不同相位状态下有两种显著不同反射率的材料

DVD–

多意的缩写词?数据视频盘（DigitalVideoDisk）过去用来指可以播放电影的播放器只能播放视频光盘多功能数据盘（DigitalVersatileDisk）过去用来指一种计算机驱动器可以读取计算机数据盘以及播放视频盘狗的真正晚餐（DogsVeritableDinner）官方正式名称-没有！（Officially-nothing!!!）DVD–

技术多层很大的容量(4.7G每层)单碟可存一部电影用MPEG压缩最后标准化了(确实!)电影带有区域码使用者只能播放带驱动器所限定区域码的电影可修复DVD–可写大量的标准问题第一代DVD驱动器读不了DVD-W盘第一代DVD驱动器读不了CD-RW盘等问题解决后再考虑购买!CDandDVD高清晰光盘为高清电影设计比DVD容量大很多激光头波长更短蓝紫波段更小的凹坑

HD-DVD15GB单面单层蓝光

数据层更靠近激光

焦距变短、失真变小，因此凹坑和光道都变小

25GB单层目前有3个可用版本：只读（BD-ROM），写入一次（BD-R）和可重复写（BD-RE）光存储特性磁带串行访问慢非常便宜用于备份与存档线性磁带开放协议

(LTO)磁带驱动器发展于20世纪90年代晚期开源，可供其它各种专利系统选择线性磁带开放协议

(LTO)磁带驱动器LTO-1LTO-2LTO-3LTO-4LTO-5LTO-6发布日期2000200320052007TBATBA压缩容量200GB400GB800GB1600GB3.2TB6.4TB压缩传输率(MB/s)408016024